邁向勝利之路的大陸漂移說(下):笨蛋!謎底就在大西洋底!

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2022-09-04
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上一回阿文提到了古地磁學與海底熱流的研究,讓大陸漂移說又重新回到檯面上來。但是讓大陸漂移說最終得到學界認可的最後臨門一腳,還是要歸功,希森 (B. Heezen) 和薩普 (Marie Tharp) 對大西洋中洋脊所做的研究,以及因此而得到啟發的海底擴張學說。這一回,阿文要把這整個故事,好好交代清楚。還請各位賞光。


雖然早在1873年,英國的挑戰者號,為了調查未來鋪設跨大西洋電報電纜,而調查附近的海域時,就確認了大西洋中洋脊 (Mid-Atlantic Ridge) 的存在,然而對它的研究卻要等到二戰之後,這是什麼緣故呢? 這是因為在回音測深術發明之前,要探測深海海底的地形,只能使用預先量好長度的繩索或纜線,從船的一側向下投放到海中。用這個方式,同一時間內只能測量特定一個地點的深度,因此效率不高。此外,這個方法還會受到船的移動和海流影響,所以準確度不高。


新的測量海底地形的方法卻是偶然的產物。德國物理學家亞歷山大·伯姆 (Alexander Behm) 在1912年發生了鐵達尼號沉沒之後,開始嘗試找到能事先發現航道上冰山的方法,來防止類似的悲劇再度發生。他的成果就是回音測深術。它是一種使用聲波脈衝的技術,從表面或潛艇直接向下垂直發出聲波,依靠聲波來測量到達底部的距離。雖然這個技術對尋找冰山,似乎效果有限,但是對探測深海地形卻成了非常有用的利器。可以說是有心栽花花不開,無心插柳柳成蔭了。

1930年代出現了第一個用聲納測量深度的儀器「Dorsey Fathometer」,就是單音束測深機,1950年代後持續發展出多波束測深探測儀。但是探測海底的技術的突飛猛進,主要還是來自於威廉·莫里斯·尤因 (William Maurice "Doc" Ewing 1906-1974) 和他的同事在1954年所著手設計的精密深度記錄儀 PDR (precision depth recorder) 。這個儀器包括標準深海迴聲測深儀、一個改裝過的傳真接收器、一個附加的開放式記錄儀,以及用於連接它們的適當的選通、切換、過濾和監控設備。這種儀器現在普遍用於測量和海洋學船舶;它的精度可達約一公尺。這讓深海海底的地形無所遁形!

說起尤因,他可是與布拉德相提並論的地球物理先驅。他一生發表了340餘篇科學論文,領導了50多次海洋探險。 他為海洋學做出了許多貢獻,包括發現SOFAR通道與發明沙發炸彈。精密深度記錄儀只是他眾多貢獻之一。

尤因1946年成為哥倫大學的地質學副教授,接著在1948年創立了哥倫比亞大學拉蒙特地質觀測台 (Lamont Geological Observatory 現為紐約Palisades的Lamont-Doherty地球觀測台 (LDEO)),也是它的第一任負責人。 這裡網羅了眾多的人才,像是重力測量專家沃澤爾 (J. Lamar Worzel, 1919-2008) ,地震專家普瑞斯 (Frank Pres,1924-2020),地質聲學專家納菲 (Jack Nafe , 1914-1996) ,還有專研地震的奧立佛 (Jack Oliver,1923-2011),這些人都是一時之選。 但是拉蒙特地質觀測所最重要的一項調查,還是首推希森 (B. Heezen) 和薩普 (Marie Tharp),針對大西洋中洋脊作了詳細的調查,因為這正是導致海洋擴張說的關鍵。

瑪麗·薩普 (Marie Tharp,1920-2006) 是這個故事唯一出現的女性科學家。她出生於密西根州的伊斯蘭提,父親威廉在美國農業部製作土壤分類地圖,母親則是德語和拉丁語教師。薩普於1943年獲得俄亥俄大學英語和音樂學士與四個副修學位。在密西根大學獲得地質學碩士學位後,進入印第安納標準石油擔任地質學家,並在任職該公司期間,獲得土爾沙大學數學學士學位。1948年時薩普前往紐約市,並且被哥倫比亞大學的尤因網羅而進入拉蒙特地質實驗室,擔任製圖師。在這裡她結識了布魯斯·希森 (Bruce Charles Heezen, 1924-1977),他出生於愛荷華州文頓市,於1947年從愛荷華大學畢業。之後他進入哥倫比亞大學,於1952年獲得碩士學位,並於1957年從哥倫比亞大學獲得博士學位。希森與薩普剛開始合作時,希森還是博士生呢。雖然薩普不論資歷或年齡都比希森資深,卻必須接受希森的指揮,可以想見當時性別不平等有多嚴重了。

他們最早期的任務是以攝影資料尋找第二次世界大戰期間被擊落的軍機。之後,薩普和希森開始合作繪製海底地形圖。在繪製海底地形圖的前期,希森登上拉蒙特-多赫提地球觀測所所屬的研究船維馬號 (Vema),負責收集海底地形資料,而薩普則只能坐在辦公室內繪製地形圖。因為當時女性不能上船工作。直到1965年薩普才得以上船,加入資料收集的研究船航行!

薩普是如何進行研究呢?她從一張大白紙開始,標出經緯線。然後仔細標記船的經過路線。她的聲納資料是伍茲霍爾海洋研究所 (Woods Hole Oceanographic Institution) 的研究船,亞特蘭提斯號從1947年到1952年多次往返美國東岸與歐非兩洲希海岸所做的測量記錄。每一次航程都有明確的經緯度記錄。亞特蘭提斯號研究船航行超過十萬浬,聲納記錄總長超過三千呎呢。接下來,她會從聲納剖面上讀取每個位置的深度,在船的航跡上標記它並創建她自己的濃縮剖面,顯示海底的深度與船行進的距離。

她仔細繪製了橫跨北大西洋的六個東西向剖面圖。薩普的大發現是一條寬約一千公里的巨大海底山脈,它擁有一個約二百公里寬的中央頂峰區,地形險峻、高低起伏超過一千公尺,更令人驚奇的是,在這個區域的中間是約十五公里寬的一條大裂縫,寬數英里,深數百英尺。用薩普的話說,就是「在每一幅剖面圖中,中洋脊峰頂附近都有一道頗深的V型槽口」。當薩普向希森展示這一條裂谷時,希森一開始將其視為“girl talk”。但是她堅持不懈,最後說服了希森。

薩普接著決定繪製「地形地文圖」 (Physiographic diagram) , 這種圖讓海底地形視覺化變得更加容易。當時拉蒙特地質觀測台給了另一位研究助理,霍華 佛斯特 (Howard Foster) 讓希森來指揮。希森叫他把地震紀錄中震央的位置標示在與薩普製作相同大小和比例的地圖上。希森和薩普在比較兩張地圖之後,意識到一件非常關鍵的事,那就是地震震央密集地出現在狹長的裂谷內! 這一發現對板塊構造理論的發展至關重要:它表明裂谷中正在發生某種激烈的地質活動,而這種運動可能正是推動大陸移動的主要機制!

希森一開始將他們在大西洋中脊上的共同工作拿來支持1950年代提出的W.沃倫·凱里 (W. Warren Carey) 的“擴展地球理論” ,但在薩普的影響下,希森最終放棄了擴展地球理論,改而支持大陸漂移說。薩普和希森於1957年出版了第一幅北大西洋海床的地貌圖。

希森與薩普確認了北大西洋的中洋脊頂峰的裂谷之後,並沒有停手。他們發現大西洋中洋脊一路向南,繞過好望角後,然後向北延伸到印度洋,接著進入亞丁灣,居然與東非大裂谷連接起來。而另一方面,東太平洋海隆在復活節島附近與智利海隆相接,在智利南部的秘魯-智利海溝沉入南美洲板塊,南部突出的部分 (又稱太平洋-南極洋脊) 在紐西蘭以南的麥夸里三向聯結構造與印度洋東南海嶺相連。原來中洋脊不只存在在大西洋中,而是綿延全球各大洋底,是地球上最龐大、也是最壯觀的地形。特別值得注意的是,許多地震都發生在中洋脊的頂鋒區附近,這些地震的震央順著中洋脊頂排列,這表示其下必定正進行著某些劇烈的地質活動。

事實上,在此之前,在1950年,斯克利浦海洋研究所的雷維爾 (Roger Revelle 1909 –1991) 和馬克士威 (Arthur Eugene Maxwell) 在東太平洋的測量就發現,沿著東太平洋隆起 (即太平洋中洋脊) 的熱流值居然是正常值的數倍之多;但兩翼的熱流值則銳減。中洋脊峰頂區的異常高溫現象,可以合理地假設成,此處正是地函的熱對流上升的地方。但是直到希森與薩普發現了大西洋的中洋脊中的裂谷與地震的關聯之後,大家才逐漸意識到,大陸漂移說與中洋脊的密切關聯。

希森於1957年在普林斯頓介紹了這種中洋脊裂谷和地震理論。在那次演講中,傑出的地質學家哈里·赫斯告訴希森:“年輕人,您已經動搖了地質學的基礎!”這位獨具慧眼的教授,哈里·哈蒙德·赫斯 (Harry Hammond Hess,1906-1969) ,其實在兩年前還將希森的文章狠狠批評了一番,還把它退稿呢。赫斯生於紐約市。他在第二次世界大戰期間擔任美國海軍軍官。1923年進入耶魯大學就讀電機工程,之後改讀地質學,於1927年獲得學士學位,再於1932年獲得普林斯頓大學地質學博士學位。獲得博士學位後赫斯在羅格斯大學任教一年,之後在位於華盛頓特區的卡內基研究所地球物理學實驗室任職,1934年進入普林斯頓大學擔任地質學教授直到去世,並在1950到1966年擔任普林斯頓大學地質學系系主任。

赫斯於第二次世界大戰期間加入美國海軍服役,並擔任裝備有當時的新技術:聲納的武裝運輸船詹森角號貨船的船長。這個經驗對於赫斯日後提出海底擴張學說理論有關鍵性的影響。赫斯仔細地追蹤他在太平洋上曾經在馬利安納群島、菲律賓和硫磺島停靠的航線,並持續使用回聲聲納。這個原本沒有預先計畫的戰時科學探測,讓赫斯得以收集北太平洋的海床資料,並發現了海底平頂山。赫斯以19世紀美國籍瑞士地理學家阿諾德·亨利·居約 (Guyot) 來命名該海底地形。

赫斯直到希森發現了沿著大西洋中洋脊的全球性大裂隙以後,才如夢初醒,了解到他所探測北太平洋海床的狀況背後的意義。綜合這些觀察結果,赫斯於1960年撰寫了《海洋盆地的歷史》 (History of Ocean Basins) ,但是兩年後才正式出版。他在論文中提出地球的地殼自長度極長且有火山活動的中洋脊向兩側橫向移動的主張,這篇文章後來成為地球物理學界最常被引用的論文。

赫斯首先討論海洋的地殼,海洋地殼的組成並非一般的玄武岩,而是所謂「蛇紋岩化的橄欖岩」,它是橄欖岩和水在500℃以下作用而成的蛇紋岩。這一層被赫斯稱為「第三層」。赫斯指出這一層的厚度大約是4.7公里,而且分布地非常均勻,這顯示地殼下500℃等溫線的位置,深海震測迴聲儀測量的結果顯示,不管是在大西洋的中洋脊的脊峰上,還是在東太平洋隆起下方,地函地震的震波速度,比平均震波的值低得多,只有4到5.5 公里/秒,一般的波速值是6 到6.9公里/秒,但是到了側面就與海洋盆地的其他部分相同。由於震波的波速會隨著介質溫度而遞減,再加上地函物質流動方向從垂直改成水平方向造成的壓裂也會降低地震震波傳播速度,所以這個結果等於是主張指出中洋脊是海底擴張的中心,新的海洋地殼在中洋脊形成後,開始向兩側擴張,最後再經由海溝系統又流回到地函,整個剖面看起來就如同輸送帶一般。而驅動海底擴張的動力則,如同霍爾姆斯所主張,是來自於地函的對流。在對流的上升端,橄欖岩吸收海水成為「蛇紋岩化的橄欖岩」,而在海溝的下降端,則是蛇紋岩釋放出海水。地函上層的物質,藉著對流上升,從中洋脊裂谷噴出,形成新的海洋地殼,而舊的海洋地殼即隨著地函熱對流向兩側擴張,就帶動了大陸的漂移。另一方面,當擴張前緣到了對流的沈降處時,海洋地殼即隨之沈降而形成海溝,較輕的大陸地殼則堆積褶皺成為山脈,這項主張成為板塊構造論發展的理論基礎。這個理論被稱為「海底擴張學說」,這個學說提供了先前韋格納提出的大陸漂移學說所需要的動力來源,讓大陸漂移學說的基礎更加穩固。自然也造成了地球科學的革命性的發展。只是赫斯在他的論文中只引述希森發表在「Scientific American」的短文,完全沒提到薩普的功勞,也未免太小氣了。希森和薩普後來與尤因鬧翻,離開哥倫比亞大學,改為美國海軍繼續繪製海底地形圖。於1977年出版了涵蓋全世界海床的地形圖,同年希森在冰島研究航行時心臟病突發逝世。薩普則是於2006年病逝。兩人的功績現在廣受肯定,算是遲來的正義吧。

但是海底擴張學說要贏得地質學界全體的認可,還需要更決定性的證據,這時候,古地磁學又上場了。還記得在上一回我們提到,科學家先前發現海底地殼的磁性指向非常奇特,南北走向的磁向帶狀區域呈線形排列,每個正向極性帶寬約20至30公里,與負向極性帶交互出現。這個奇怪現象完全可以用海底擴張學說加以解釋,這讓海底擴張說又贏得不少支持。1963年九月,英國劍橋大學國王學院的范恩 (Frederick John Vine 1939) 與他的指導教授馬修斯 (Drummond Hoyle Mattews 1931-1997) 二人發表的論文《洋中脊的磁異常》 (Magnetic Anomalies over Ocean Ridges) 登在期刊「自然」上。他們指出在海洋地殼,從由洋中脊上升生成,接著向兩側推擠,直到最後到達海溝下沉的過程中,地球磁場曾經接連地反轉過好幾次。當高溫的地函物質因為對流而湧上中洋脊後開始冷卻,當它們冷卻到居里溫度 (Curie temperature) 的瞬間時,就會被當時的磁場所磁化,當時的磁極方向就被記錄在火成岩中。當海底地殼遠離山脊,不斷向兩側擴張時,地殼的磁指向的記錄當然就跟著地殼一起移動。 所以海洋地殼的磁場指向就像是一捲磁帶一樣,於是乎,海洋地殼的磁指向就形成帶狀排列。

范恩出生於倫敦奇斯威克,論文發表時還在劍橋聖約翰學院就讀。他是在遇見哈利·赫斯以後,才意識到擴展中的海洋地殼充當了遠離中央山脊的“輸送帶” ,而赫斯的理論中的“輸送帶”變成了“磁帶記錄器”了。其實在他們的論文發表的半年前,加拿大地質調查所的摩爾利 (L. Morley) 及拉洛契利 (Larochelle) 也提出類似的看法,但是他們的論文卻被「自然」給退稿了! 這個理論現在被稱為「范恩-馬修斯-莫勒 (Vine-Matthews-Morley) 假說」。

這個勝利似乎來得輕鬆,其實不然,因為地球磁場曾反覆逆轉其極性,這件事在當時其實還是一個備受爭議的看法。 雖然在陸地上早就量測到火成岩中有磁性倒轉的現象,但是許多科學家就是無法接受這個想法,因為沒有人能解釋這個現象的機制呀。甚至當時連地球磁場如何形成都莫衷一是呢。

地磁反轉開始被廣泛接受要歸功於一群美國地質學家。早在50年代末期,在美國地質調查局 (USGS) 加州門諾分部工作的柯克斯 (Allan Verne Cox 1926 –1987) 和他的同事杜爾 (Richard Doell 1923 –2008) 就想利用地磁資料,建立一個地磁極性時標,也就是從何時到何時,磁極方向為何的標準定位。然而他們收集的岩石樣本太年輕,只有幾百萬年,而當時的技術根本無法準確測年,所以難以成功。幸運的是,隨著放射線同位素定年法的發展,他們後來安排 USGS 聘用了年輕的伯克萊畢業生,道爾林普 (G. Brent Dalrymple 1937-) ,運用鉀-氬測年法,才成功創造了第一個地磁極性時標。他們分析比對了全球各地的資料後,提出了數百萬年來的地磁倒轉年表,他們刊登在期刊「自然」的文章《地磁極性時代與更新世年代學》"Geomagnetic polarity epochs and Pleistocene geochronometry" 成為范恩-馬修斯的文章的重要依據。而國立澳大利亞大學的麥道格 (I. McDougall, 1935-2018) 及達林 (Donald. H. Tarling, 1935) 也幾乎同時也發表了類似的資料,他們整理了夏威夷島上的火山熔岩之後發現地磁確曾倒轉的證據,地球磁場極性反覆倒轉的想法,此時才逐漸為人所接受。

接下來,美國海軍海洋署在拉蒙特地質觀測所的建議下,於1965年在大西洋中洋脊的一部分冰島南部的雷克雅未山脈,進行空中的磁力調查,他們得到了幾組橫切中洋脊頂峰區的磁記錄剖面圖,結果出現平行於中洋脊的驚人對稱圖案,而且對稱軸就是中洋脊頂峰!這個范恩等人的假設得到了非常強而有力的佐證。緊接著,1966年初,拉蒙特觀測所的奧代克 (N.D. Opdyke) 和他的團隊,成功測得南極海及北太平洋的標本。他們從這些數百萬年以來連續的沈積物中,發現了地磁倒轉的忠實記錄。這些地磁紀錄與先前分析陸地岩石標本而製作的地磁倒轉年表相比對之後發現相互吻合。地磁倒轉年表有了海陸兩方的證據之後,愈發顯得可信。

但是要讓海底擴張學說得到認可,需要更多密集而有系統地採集海底岩石的標本,才能杜悠悠眾口。所以斯克里普斯海洋研究所在美國國家科學基金會贊助下在1969年主持了一個「聯合深海採樣計畫」 (JOIDES,Joint Oceanographic Institutions Deep Earth Sampling) ,共同參與的單位還有拉蒙特地質觀測所、邁阿密大學羅森斯蒂爾 (Rosenstiel) 海洋與大氣研究所、伍茲霍爾海洋研究所及華盛頓大學。這個計畫底下有一項子計畫「深海鑽探計畫」 (DSDP, Deep Sea Drilling Project) 。這個計畫就是要達成這項目標。

「深海鑽探計畫」派出鑽探船「哥羅瑪挑戰號」 (Glomar Challenger)。這艘船的船名「格羅瑪」(Glomar) 取自環球海洋的英文 Global Marine 的前三個字母,「挑戰者」則是為了向19世紀英國著名的科學考察船「挑戰者號」(HMS Challenger ) 致敬。「哥羅瑪挑戰號」先後在大西洋採了31個地點的標本,在太平洋採了53個地點的標本。工作人員在採樣地點,不僅採樣時,會貫穿整個沈積地層,而且還取樣了沈積物下的玄武岩標本。

分析的結果發現,每個鑽孔取樣中最古老的沈積物,也就是在基盤玄武岩之上的沉積物,它們的年代與鑽孔地點到中洋脊的距離成正比。換言之,距離中洋脊愈遠的地殼,愈古老,這完全符合了海底擴張學說的主張。更具體的證據是,由沈積物的年代推算得到的海底擴張速率為每年2公分,這個數值與從地磁倒轉年表所推得的速率相吻合!鐵證如山,海底擴張學說終於迎來了最後的勝利!而大陸漂移說也跟著站穩腳跟,這距離韋格納在1912年首次提出大陸漂移說,已經接近一甲子了!

一個科學理論要得到認可,居然要花上如此漫長的時間,集合這麼多不同領域專家的努力,實在是令人嘆為觀止。再一次,我們看到各種物理技術的突破發展,所帶來的影響,往往是出乎物理學家的意料之外。從岩石磁性的研究,聲納技術的進步,乃至於放射性同位素測年的進步都是這個故事不可缺的一環。阿文希望,未來能有機會,繼續傳講物理對我們理解地球所發揮的功效,敬請期待喔!

 

參考資料:

(一)中文 英文維基相關條目
(二) Precision measurement of ocean depth , by BernardLuskinBruce C.Heezen Maurice Ewing Mark Landisman , Deep Sea Research (1953) Volume 1, Issue 3,
(三) Plumbing Depths to Reach New Heights: Marie Tharp Explains Marine Geological Maps by RACHEL EVANS
(四) Hess, H. H. (November 1, 1962) . "History of Ocean Basins"
(五) 聽見海底的形狀:奠定大陸漂移說的女科學家
作者:哈莉.菲爾特 (HALI FELT) 貓頭鷹出版社 出版